发射极跟随型开关电路仿真疑问请教

henry

最近项目中涉及到一个三极管搭建的开关电路，本人模电不强，没办法进行完全的理论分析，只知道是典型的发射极跟随型开关电路，只能直接上Multisim仿真，看看现象再说，仿真图如下，我的疑问是：
1.R3电阻值的确定问题。图中R2是负载(800Ohm)，如果我想负载电流Ie是50mA,那么发射极电压就应该是800*0.05=40V，由于三极管基极和发射极压降0.7V，所以基极电压就是40.7V，但是此时基极电流Ib和R3均不确定，那如何选取Ib，从而进一步的确定R3的阻值？这个Ib的选取是否和三极管的特性有关？

2.三极管的发热问题，通过查看器件手册发现，三极管有两个参数，一个是VCEO，一个是VCE(sat)，前者是集电极-发射极间电压的最大额定值，后者是集电极-发射极间饱和电压，而且VCEO>>VCE(sat)，这个VCE(sat)代表什么？是否和三极管功耗有关？因为我确实从铃木雅臣的《晶体管电路设计》一书中发现这样一段话“晶体管处于导通状态时的功率损耗是VCE(sat)与集电极电流之积，它们全部转成热损耗”，这么说是不是只要选VCE(sat)特别小的三极管就能在大电压开关的情况下减小三极管发热？可是图中集电极电压120V，发射极电压40V，中间80V的压降到哪里去了呢？

3.在利用J1模拟开关的时候，发现发射极电压的波形很奇怪，在开关的时候会有很多的毛刺或者说是过冲现象，这是为什么呢？这个电路需要怎样改进才能消除这些毛刺或者过冲呢？

henry

图片不过清楚，还烦请各位大侠双击点开查看，谢谢先

henry

继续顶起

Sullivan

最近项目中涉及到一个三极管搭建的开关电路，本人模电不强，没办法进行完全的理论分析，只知道是典型的发射极跟随型开关电路，只能直接上Multisim仿真，看看现象再说，仿真图如下，我的疑问是：
1.R3电阻值的确定问题。图中R2是负载(800Ohm)，如果我想负载电流Ie是50mA,那么发射极电压就应该是800*0.05=40V，由于三极管基极和发射极压降0.7V，所以基极电压就是40.7V，但是此时基极电流Ib和R3均不确定，那如何选取Ib，从而进一步的确定R3的阻值？这个Ib的选取是否和三极管的特性有关？

2.三极管的发热问题，通过查看器件手册发现，三极管有两个参数，一个是VCEO，一个是VCE(sat)，前者是集电极-发射极间电压的最大额定值，后者是集电极-发射极间饱和电压，而且VCEO>>VCE(sat)，这个VCE(sat)代表什么？是否和三极管功耗有关？因为我确实从铃木雅臣的《晶体管电路设计》一书中发现这样一段话“晶体管处于导通状态时的功率损耗是VCE(sat)与集电极电流之积，它们全部转成热损耗”，这么说是不是只要选VCE(sat)特别小的三极管就能在大电压开关的情况下减小三极管发热？可是图中集电极电压120V，发射极电压40V，中间80V的压降到哪里去了呢？

3.在利用J1模拟开关的时候，发现发射极电压的波形很奇怪，在开关的时候会有很多的毛刺或者说是过冲现象，这是为什么呢？这个电路需要怎样改进才能消除这些毛刺或者过冲呢？

我来试试。

1.Ib本身是可能随负载变化而变化的。设计要点是保证基极B的电压稳定。同时建议在R3和R1之间对地加一个滤波电容以稳定基极电压。

2.始终记住P=UI。VCEsat是饱和压降。供电是120V，输出为40V，有80V让三极管的CE承受。功耗为80V×0.05=4W，应该做好散热。发热与VCEsat毫无关系，因为管子不工作在sat（饱和）状态。

3.这个我认为是仿真的一些问题。毕竟仿真不等于实际。虽然没动手实际搭建，但我觉得实物不会这样。

射极跟随器之所以能跟随，是因为三极管的直流放大倍数比较高。在选择管子的时候要注意，如果管子的直流放大倍数只有几十倍甚至十几倍的时候，稳压精度就会变得不太理想。这意味着更大的Ib，然而在第一条说了，你需要稳定住Vb，让Ve去跟随Vb，所以你需要适当降低R3和R1。

asma

拿光耦隔离得了。那么高电压，有什么特殊要求？

yeutay

中间80V的压降到哪里去了呢？-------------你这图是降压稳压电路,你从头到尾都忽略稳压管也需要消耗电流。

henry

Sullivan 发表于 2013-3-16 14:37
最近项目中涉及到一个三极管搭建的开关电路，本人模电不强，没办法进行完全的理论分析，只知道是典型的发射 ...

1.Ib本身是可能随负载变化而变化的。设计要点是保证基极B的电压稳定。同时建议在R3和R1之间对地加一个滤波电容以稳定基极电压。

2.始终记住P=UI。VCEsat是饱和压降。供电是120V，输出为40V，有80V让三极管的CE承受。功耗为80V×0.05=4W，应该做好散热。发热与VCEsat毫无关系，因为管子不工作在sat（饱和）状态。

3.这个我认为是仿真的一些问题。毕竟仿真不等于实际。虽然没动手实际搭建，但我觉得实物不会这样。

射极跟随器之所以能跟随，是因为三极管的直流放大倍数比较高。在选择管子的时候要注意，如果管子的直流放大倍数只有几十倍甚至十几倍的时候，稳压精度就会变得不太理想。这意味着更大的Ib，然而在第一条说了，你需要稳定住Vb，让Ve去跟随Vb，所以你需要适当降低R3和R1。

---

首先，很感谢Sullivan的热情回复，对于你的回答我稍微解释和请教下：
1.负载应该是固定的，有一点的电感特性，可以理解为一个机械继电器的线圈部分，你说加滤波电容的意思是基极对地加吗？其实我的要求很简单，就是让负载电流为一个确定值，稳定性要求不高，如果负载电流确定，负载电压即确定，那么基极电压也确定了，可是基极电流呢，如何确定？根据我模电的了解，基极电流和集电极电流存在一个线性关系，而集电极电流基本等于发射极电流，这个比例关系好像就是数据手册上的参数hFE，可是数据手册上hFE是一个范围值，不确定，那么在实际电路设计中，如何操作呢？基极电流确定下来了，我才能确定R3+R1的具体值，才能让整个设计完整，呵呵，所以这一点还请大侠们多多指教
2.你对VCEsat的解释很清楚，我对三极管本身的热耗问题基本了解。
3.整个毛刺的问题现在还不好说，只能暂时忽略。

henry

yeutay 发表于 2013-3-17 00:36
中间80V的压降到哪里去了呢？-------------你这图是降压稳压电路,你从头到尾都忽略稳压管也需要消耗电流。 ...

我要说明下，电路里面的两个稳压管串联只是起到保护负载的左右，保证负载电流不要超过额定值

JQ_Lin

henry 发表于 2013-3-18 15:26
我要说明下，电路里面的两个稳压管串联只是起到保护负载的左右，保证负载电流不要超过额定值 ...

莫元还没有送出去啊！

简易的三极管稳压开关供电的仿真电路



简易的三极管稳压开关供电的仿真波形

Sullivan

henry 发表于 2013-3-18 15:04  

---

  首先，很感谢Sullivan的热情回复，对于你的回答我稍微解释和请教下：  1.负载应该是固定的，有一点 ...

电压源不怎么怕感性负载，所以大可以放心驱动。用射随搭的就是电压源。基极是基准电压，但高输出阻抗。用跟随器阻抗变换，得到低输出阻抗的电压源。就是这么个意思。手机回贴有点辞不达意，凑合看。

jackiezeng

喂猫要发射极跟随呢？ 你把负载放集电极不行吗？

发射极跟随也行 ， 不过基极电阻就可以不用加了，加了就不在开关状态了 ， 发射极加电阻是负反馈 ， 这种不处在开关状态的时候三极管会损耗功率的

tsj1992

开关不是这么当的，负载串联接到集电极去。射极的最常用只是为了提高输入阻抗，你想想，向你这么接负载RL的不同，也会让V1-R3-R1-UBE-RL-GND这一条路不同，也就是说IB会不同，那么可以预见IC也会不同，那就是说，负载的不同反而会决定输入回路控制回路的状态，这是绝对错误的。这么设计功底还需要补补，甚至我可以说，很多工作几年了的人也不太清楚，就这么简单的三极管电路。NPN型和PNP型的三极管当做开关电路，负载所接的位置都清楚么？

Sullivan

为毛当开关就不能让三极管消耗功率呢？楼主供电120伏，负载只用80伏都看不见？

henry

很感谢各位大侠的的指点，可能我想表达的意思没表示清楚，其实这个电路不是开关电路，那个开关J1只是表示120V电源的有无，可以直接忽略的，这个电路当成放大电路去分析可能才是我的目的。实际上，我的要求就是控制流过负载的电流大小在一个范围内，那两个稳压管合起来稳压80V，是保证负载电流不超过100ma的上限，至于下限，不小于30ma就行了，至于电流的稳定性要求也不高，只要不长时间超过100ma就行。

目前我已经根据这个电路搭建了实际电路做实验，是可以达到我的要求的，通过改变R3的大小，负载电流确实是在变化，而且两个稳压管也起到了保护作用，无论怎么调，负载电流都不会超过100ma，既然到了这一步，按道理我的要求达到了，可是我还想搞懂更基本的原理，比如R3的大小选取问题，经过我的实验，R3与IE的关系并不是线性的，比如当R3=100K的时候，IE=30ma左右，当R3=50K的时候，IE=48ma，这个就是我比较疑惑的地方，对于一个电路的定量分析设计，如何计算这个R3的值以满足我的要求呢？

至于很多网友提到的把负载放到集电极上去，这个电路我也仿真了下，不过不行！！原因是VBE的存在，VB始终是0.7V左右（很奇怪，当R3减到0，R1减到1Ohm时，VB=19V左右，这个是怎么来的？），由于我的电源是120V的，从120V到0.7V，基本上120V的压降都在R3和R1上了，那得要大功率的电阻，而且流过负载的电流基本上在150ma左右，完全不符合我的要求，该电路附图如下：


当然可以在发射极串电阻的方式改正，不过这不就和楼主位的电路原理差不多了吗？

现在我基本认可了第一种电路：射极跟随器的方式，只是器件选型上还没定，仿真图上用的TIP41C的VCEO是不能耐40V以上的压差的，，我需要找一个VCEO大于80V，最好是贴片封装的三极管，至于大压降带来的管子发热问题，我可以通过PCB板大面积附铜来解决。

还请各位大侠根据红色标记的两个知识点不吝赐教，谢谢

当然如果我的分析仍然是有问题的，也请各位大侠多多指正，谢谢

barryliu

你应该接集电级。
用射随当开关电路是不行的，射随没有电压放大能力，你的输入是多少，输出就是多少，其它电压被三级管吸收，这能叫开关么？开关意味着尽可能的不应该有内阻和压降。

henry

barryliu 发表于 2013-3-25 16:01
你应该接集电级。
用射随当开关电路是不行的，射随没有电压放大能力，你的输入是多少，输出就是多少，其它 ...

请看十四楼说明，这个不是开关电路，呵呵

henry

还请各位大侠多多指点，顶上，呵呵

JQ_Lin

henry 发表于 2013-3-25 15:45
很感谢各位大侠的的指点，可能我想表达的意思没表示清楚，其实这个电路不是开关电路，那个开关J1只是表示12 ...

3.在利用J1模拟开关的时候，发现发射极电压的波形很奇怪，在开关的时候会有很多的毛刺或者说是过冲现象，这是为什么呢？这个电路需要怎样改进才能消除这些毛刺或者过冲呢？

楼主在楼主位清楚地提出了这个问题，而且附有截图为证，希望消除这些毛刺或者过冲。
这叫没有表示清楚？！是要取消这个第3条？
我在9楼的仿真截图的作用之一就是证明基本没有毛刺或者过冲。
你那个仿真有出入，不能反映实际，是软件或者模型的问题。

JQ_Lin

henry 发表于 2013-3-25 15:45
很感谢各位大侠的的指点，可能我想表达的意思没表示清楚，其实这个电路不是开关电路，那个开关J1只是表示12 ...

14楼的电路是不符合楼主使用要求的。
1. 几十伏的稳压管并联到发射结上，毫无意义，等于没接。
2. 负载置于集电极，用限流电阻（电位器）是可以控制基极电流，从而控制集电极负载电流的。
但是，电阻值计算得再准，也无法获得稳定的集电极负载电流。

===========================================================================

而1楼的电路，发射极负载的电流只同稳压管的稳压值有关联。根据负载电阻和电流，即可求出稳压管的稳压值（R x I + 0.7）。
限流电阻值根据稳压管的额定工作电流和三极管基极电流之和来确定。而三极管基极电流同发射极负载电流和放大倍数相关。

按1楼的负载和电流，800Ω x 50mA = 40V
考虑到发射结电压的话，40.7V，就当做40V，负载电流也有49mA，好吧？（两个20V的稳压管，有功夫选正偏差的，有望两者之和为40.7V，也没多大必要的。）

假设三极管放大倍数为50（不要取高，以留有余量），基极电流Ib = I / (1 + 50) = 50 / 51 = 0.98 mA
即，0.98mA的基极注入电流，可以获得50mA的负载电流。对于放大倍数高于50的管子，就更没有问题了。

又，20V的稳压管工作电流按12.5mA计，故通过限流电阻提供的电流应为 12.5 + 0.98 = 13.48 = 13.5 mA
所以，限流电阻值应为 (120V - 40V) / 13.5mA = 5.926 kΩ
限流电阻功耗 (120V - 40V) x 13.5mA = 1.08W
取标称值5.6k或6.2k的2W电阻，或两个1W的3k电阻串联，均可。
而且，由稳压管的特性所决定，在一定范围内，变动该限流电阻而负载电流无明显变化。
只要稳压管能够维持正常的稳压，尽可能增大限流电阻值，以降低限流电阻和稳压管的功耗。

三极管的功耗大约为 (120V - 40V) x 50mA = 4W

===========================================================================

我在9楼的仿真电路，①增加了误差放大级，适应的工作范围大；②可在低端控制是否向负载供电；③采取功耗分配的措施，不让三极管独自承担，更安全。

pqn2007

这电路不可能正常工作,这个电路是一个简单的稳压电路,但参数不对,在实际中会烧坏一大片.应把Q1改为2N6544  R1改为50-100K,就可以正常工作了.

chaily

不知道LZ的问题究竟解决了没有。我看到这么多的回答和LZ的电路，我快要晕倒了。对于LZ本身提出来的问题，我做一些挑选性的个人见解与回答。就理论上来说，楼主的电路是可以工作并达到楼主要求的，而且为了保证电流不超过100mA，两个稳压管也确实起到了保护作用，但实际的电路我还真没见过这么样设计的。这样设计的电路存在着明显的弊端和缺陷，除非厂家为了节约成本，否则是不会这样去设计电路的。这个电路面临的最大问题是多余的发热功耗导致电路使用寿命缩短甚至会导致周边元器件工作不稳定等问题。电源是120V，如果R2负载只有40V的话，其余压降都跑三极管的CE去了，三极管在这里发热达到4W！4W是什么概念？根本不是一个贴片元件你加大散热覆铜就能搞定的！4W发热至少要用直插220封装+散热片，否则电路寿命不会长久的。这里根本不是R1，R3怎么样取值的问题，因为这两个取值和三极管本身静态放大倍数有关系的，当然可调电阻是可以解决这个问题。有的人说把电路改成射极接地，负载在集电极处，但这样很难控制R2负载稳定在40V，而一般当三极管导通的时候，三极管CE压降直接接近0，三极管发热问题是解决了，但是加在R2的电压直接达到120V了，要分掉一部分，得串联一个至少1600欧姆的电阻，此时电阻发热仍然为4W，一般电阻会烧掉。如果有些厂家考虑节约成本，也还会用5W电阻来降压的，虽然耐用性也不会很好，但方案便宜，反正这个设计不是烧三极管就是烧电阻，所以实际的设计中很少这么设计的。有几种方法可以解决这个问题，一般最常见的是采用DC-DC的方法，把120V电压转换为40V多一点，利用三极管直接做开关，这样你的三极管即使是用SOT23封装，不加散热都没问题。DC-DC电路的好处是等功率转换，发热少，虽然这种方法复杂性比这LZ的电路高，但不会因为发热引起各种问题。

chaily

另外，如果LZ的主要意思是为了使R2负载得到一个稳定电压而不想计算太多也不想更改电路的复杂性，我建议直接把稳压管改成两个20V的串联得到一个40V的稳压管，这样直接去掉R1，只保留R3，当R3的值调小到一定范围以内时，Vb被箝位在40V就不再上升了，射极获得一个理论上39.3V的电压(实际偏差不大)就可以了，但三极管仍然无法避免的会发热4W，依然会很烫甚至烧掉。LZ有什么疑问可以继续跟帖，必要的时候这里可以给LZ重新设计这个电路。